基于語音識別的智能家居助手設計與制作

盛振濤 顏鏗洋 浙江師范大學物理與電子信息工程學院

引言

當前的家用電器主要的控制方式為紅外遙控。隨著科技的進步，日常家用電器的數目不斷增加、其專用的控制器數量增加，且控制器功能繁雜、操作復雜。由此帶來問題的是：控制器不統一導致的產品體驗變差。

目前大多數的解決方案是通過智能手機進行訪問和控制來解決上述問題。但是雖然手機成為了統一的遙控器，但上面種類繁多的遙控APP 也使得這種方法存在有操作復雜、不易學習的缺點。

本文提出一種新的解決方案：語音識別控制。語言可以直接表述用戶需求，采用語音識別控制的方法可以省去很多復雜的人機交互步驟。使用者可以通過語音傳達自己的指令，極大的方便了行動不便的人群。

1 系統組成及工作原理

基于語音識別的智能家居助手系統框圖如圖1 所示，主要包括STM32 主控模塊、LD3320 芯片、ESP8266 WIFI 模塊及紅外發光二極管；該系統可以讓用戶可以通過語音輕松、便捷地遙控家中不同種類的電器。

圖1 系統框圖

該系統的語音識別系統工作模式為近端語音識別控制。在近端語音識別控制模式下，STM32 處理器使用LD3320 語音識別芯片進行實時語音識別。識別完成后,STM32 主機可以接受到命令。如果命令是對本房間的電器進行控制，則STM32 主機通過ESP8266 WIFI模塊和紅外二極管模塊直接對WIFI/紅外控制的家居進行控制。如果命令是對其他房間的家居進行控制，則STM32 主機通過ESP8266 WIFI 模塊組成的局域網和指定房間的STM32 子機進行通訊，然后指定房間的STM32 子機進行和上面相同步驟的控制操作。

2 系統硬件設計

2.1 ESP8266 WIFI 傳輸模塊設計

ESP8266 WIFI 傳輸模塊的工作原理如圖2 所示，使用的芯片是ESP8266。該系列WIFI 芯片是一個完整且自成體系的Wi-Fi 網絡解決方案，能夠搭載軟件應用，或通過另一個應用處理器卸載所有Wi-Fi 網絡功能。

ESP8266 在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖存儲器有利于提高系統性能，并減少內存需求。

另外一種情況是，無線上網接入承擔Wi-Fi 適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，連接簡單易行，只需通過SPI/SDIO 接口或中央處理器AHB 橋接口即可。

2.2 LD3220 語音識別模塊設計

LD3220 語音識別模塊搭載了LD3320 芯片。LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片不需要外接任何的輔助芯片如 Flash、RAM 等，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別/聲控/人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以任意動態編輯的。

STM32 主控制器與LD3320 語音識別模塊之間通過串口通信協議，實現數據的傳輸。STM32 程序內部調用LD3320 庫函數，讀取LD3320 芯片寄存器數據，得到語音信息。然后STM32 主控制器通過SPI 接口將語音信息通過ESP8266 傳送給子控制器或者進行控制操作。

2.3 STM32 主控制器

系統的主控板采用STM32 核心板，其處理器核心是STM32F103 處理器。STM32 系列單片機功耗低，運算速度快，片上資源滿足設計功能要求。基于ARM Cortex-M3 內核，專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計。處理器時鐘頻率為72MHz，含11 個定時器以及豐富的I/O 口，內置3 個12 位的A/D 轉換器、2 個12 位D/A 轉換器，是同類產品中性價比最高的處理器。

控制板通過JLink 與電腦連接，便于在線進行程序調試。與傳統的單片機相比，STM32 資料豐富、編程方法簡單易學、軟硬件完全開放，在庫文件和例程的基礎上稍做修改就可以滿足該系統的設計要求，實現對語音信息的讀取、處理及發送。

3 系統軟件設計

3.1 STM32 程序設計

STM32 程序設計流程圖如圖2 所示，在初始狀態下，STM32 與LD3220 語音模塊一直處于通信狀態，當LD3220 語音模塊響應范圍內有語音信號時，LD3220 對語音信號轉換采集，然后得到語音信息通過串口發送給STM32。STM32 根據語音信息的內容，將命令通過ESP8266 傳輸給子控制器或者直接進行控制操作。

圖2 STM 32 程序設計流程圖

3.2 貝殼物聯WIFI 組網設計

貝殼物聯是一個物聯網云平臺。貝殼物聯WIFI 組網設計包括設備在/離線監控和語音命令傳送。該面板可以讓用戶清楚地看到哪些STM32 控制器是在線的，那些STM32 控制器處于離線狀態。

貝殼物聯在ESP8266 WIFI 模塊組網設計中承擔了路由器的作用。各個STM32 控制器之間通過確定的協議進行聯網通訊，從而大大增加了智能家居助手的輕巧度。

4 結束語

本文設計的基于語音識別的的智能家居助手具有適應性強、輕巧易用、工作穩定等優點。可實現對不同類型的家中各處家居的控制，并且保證通訊的可靠性。大大提高了智能家居控制的高效性與便利性，具有廣闊的應用前景。